Пакувальний папір із стебел соняшнику

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

ПАКУВАЛЬНІЙ ПАПІР ІЗ СТЕБЕЛ СОНЯШНИКУ

Трембус І.В.

Постановка проблеми. Останні досягнення науки, особливо хімії, значно розширили асортимент паперу і картону та галузі їх застосування. Картонно-паперова продукція на сьогодні все ширше застосовується в таких галузях, як електроенергетика, радіоелектроніка, машино- і приладобудування, обчислювальна техніка, космонавтика та ін. Важливе значення в економіці сучасного виробництва займає асортимент паперу і картону, який виготовляється для пакування різних продовольчих товарів. Тому розвиток світової целюлозно-паперової промисловості (ЦПП) відбувається досить швидкими темпами. Практично за кожні 15 років випуск її продукції подвоюється. Середнє споживання паперу і картону на душу населення постійно зростає, особливо в західній Європі (34 кг в Україні проти 142 кг на душу населення в Європі) [1].

Одна з головних причин такого стану галузі полягає у відсутності власної сировинної бази. Існуючі запаси деревини в багатьох державах світу не можуть забеспечити зростаючі сировинні потреби галузі, а зростання об'ємів використання макулатури не завжди сприяє покращенню якості кінцевої картонно-паперової продукції. Всі вище перераховані аспекти обумовлюють необхідність пошуку нових джерел волокнистої сировини, в якості якої, насампе-ред, можуть розглядатися відходи сільського господарства та різні представники недеревної рослинної сировини (НДРС).

Аналіз останніх досліджень і публікацій. В Україні широко культивуються різні технічні і зернові культури, стебла яких після збирання урожаю можуть успішно перероблятися на волокнисті напівфабрикати (ВНФ) для виробництва різних видів картонно-паперової продукції. Наприклад, тільки під посіви соняшнику використовують до 5 млн. га сільськогосподарських площ України [2].

Слід зауважити, що перероблення відходів сільського господарства на ВНФ для виробництва картонно-паперової продукції пов'язане з особливостями анатомічної будови і хімічного складу, вимогами до якості отриманного напівфабрикату і основними техніко-економічними показниками відповідного способу делігніфікації [3]. Застосування традиційних способів одержання целюлози (сульфатного і сульфітного) призводить до забруднення довкілля за рахунок потрапляння меркаптанів, сірководню, діоксинів, фуранів у повітря та похідних лігніну у водоймища [4]. Серед альтернативних технологій одержання ВНФ вченими пропонується проводити делігніфікацію рослинної сировини в різних органічних розчинниках -- так звані органосольвентні варіння. Вони дозволяють суттєво зменшити забруднення довкілля та характеризуються меншою енергоємністю виробництва і більшою вибірковою дією на лігнін, що дає можливість збільшувати вихід ВНФ за рахунок більшого збереження полісахаридів (цеюлози і геміцелюлоз) рослинної сировини [5, 6]. Серед органосольвентних способів делігніфікації одним із найбільш ефективних є лужно-сульфіт- но-спиртове варіння рослинної сировини [6].

Виділення не вирішених раніше частин загальної проблеми. Аналіз науково-технічної літератури показав, що розробка технологій використання органосольвентних волокнистих напівфабрикатів із відходів сільського господарства в композиції масових видів картонно-паперової продукції є важливою науково-технічною проблемою для підприємств целюлозно-паперової промисловості.

Мета статті. Метою цієї роботи є дослідження можливості розширення сировинної бази галузі за рахунок використання органосольвентних волокнистих напівфабрикатів із стебел соняшнику в композиції масових видів пакувального паперу.

Виклад основного матеріалу. Експериментальна частина. В роботі використовували стебла соняшнику Житомирської області. В лабораторії повітряно-сухі стебла соняшнику подрібнювали до розмірів 15-20 мм і зберігали в ексикаторах для підтримання постійної вологості під час подальших досліджень. Хімічний склад стебел соняшнику було визначено у відповідностідо існуючих стандартів ТАРРІ для різних компонентів, а саме: Т-222 для лігніну, Т-257 для речовин, що екстрагуються гарячою водою, Т-212 для речовин, що екстрагуються 1%-м розчином МаОН, Т-204 для речовин, що екстрагуються спирто-бензольним розчином, Т-211 для визначення зольності. Хімічний склад соняшнику у порівнянні з хвойними і листяними породами деревини наведено у табл. 1.

Як видно із наведених у табл. 1 даних, вміст лігніну та основного компоненту рослинної сировини -- целюлози у досліджуваній рослинній сировині наближається до вмісту лігніну і целюлози у листяних породах деревини. Вміст смол, жирів та восків (СЖВ) і пентозанів у стеблах соняшнику знаходиться в межах вказаних показників для представників листяних і хвойних порід деревини. При цьому в дослідженій рослиній сировині у порівняні з деревиною міститься у декілька разів більше мінеральних речовин (зольність) і розчинних у МаОН компонентів (крохмалю, пектинів, неорганічних солей, циклічних спиртів, барвників, танідів, геміцелюлоз і низькомолекулярних фракцій целюлози). Такий хімічний склад стебел соняшнику дозволяє зробити висновок про те, що для органосольвентної де- лигнификації досліджуваної рослинної сировини необхідно менші витрати варильних реагентів і менша тривалість температурної обробки у порівнянні з аналогічними варіннями деревини до досягнення однакового ступення делігніфікації.

Для одержання ВНФ в лабораторних умовах проведено варіння стебел соняшнику лужно- сульфітно-спиртовим методом (ЛБЛЕ) в стальних автоклавах об'ємом 400 мл у гліцериновій бані за заданим температурним режимом та гідромодуля 5 : 1. В якості варильного розчину використовували розчини сульфіту натрію з витратою 20% та їдкого натру з витратою 5% від маси абс. сух. сировини за співвідношення етилового спирту до води 35 : 65 об'ємних%, витраті антрахінону 0,1% від маси абс. сух. сировини. Температура варіння становила 160 та 170оС, тривалість -- 120 та 150 хвилин. Після закінчення варіння автоклави охолоджувалися проточною водою, волокнистий напівфабрикат промивали, сушили до повітряно- сухого стану, визначали його вихід щодо абсолютно сухої сировини і вміст залишкового лігніну відповідно до стандартних методик ТАРРІ.

Для визначення фізико-механічних показників одержаний ВНФ із стебел соняшнику попередньо розмелювали в центробіжно-розмелю- вальному апараті до досягнення ступеня млива 60±2оШР і направляли на виготовлення на лис- товідливному апараті ЛА-1 відливок масою 1м2 75±1 г. Фізико-механічні показники ВНФ визначали за стандартними методиками ТАРРІ.

Вибілювання органосольвентної целюлози із стебел соняшнику проводилося без використан-

ня шкідливих хлорвмісних сполук за наступною схемою: хелатуюча обробка (Р) -- вибілювання пероксидом водню у дві стадії (П та П2) -- кислотування (К). Хелатуючу обробку целюлози проводили розчином трилону Б, з його витратою 0,2% від маси абс. сух. целюлози, тривалістю 60 хвилин за температури 50оС. Витрата Н2О2 становила 3 і 2% від маси абс. сух. целюлози, відповідно на першій і другій стадіях пероксидного вибілювання, температура вибілювання -- 90оС, тривалість 80 хвилин, рН = 10 (з додаванням в масу для створення необхідного значення рН розчинів МgSO4, МаОН та Ма2БіОз безпосередньо перед вибілюванням). Кислотування проводили сірчистою кислотою за витрати БО2 -- 0,5% від маси абс. сух. целюлози, тривалістю 60 хвилин за кімнатної температури. Кожна стадія вибілювання целюлози закінчувалася її промиванням дистильованою водою до нейтральної реакції.

Для виготовлення лабораторних зразків обгорткового паперу різних марок проводили розмелювання отриманих недеревних вибілених та невибілених ВНФ, сульфатної невибіленої целюлози та сульфітної вибіленої целюлози до ступеня млива 40±2оШР. При виготовленні лабораторних зразків обгорткового паперу застосовували внутрішньомасне проклеювання з витратою білого каніфольного клею 2,5%, каолінової суспензії 4,5% та глинозему 2% від маси абс. сух. сировини. Фізико-механічні показники зразків обгорткового паперу масою 80 г/м2 визначали у відповідності до прийнятих методик і порівнювали зі стандартами [7].

Для одержання лабораторних зразків паперу для пакування харчових продуктів на автоматах виготовлено лабораторні зразки паперу масою 110 г/м2. В якості волокнистої композиції використовували невибілені органосольвентні волокнисті напівфабрикати із стебел соняшнику та сульфатну невибілену целюлозу, попередньо розмелених до ступеня млива 40±2оШР. У волокнисту масу вводили 1,5% білого каніфольного клею, 4,5% каоліну та 2% глинозему від маси абс. сух. волокна. Фізико-механічні показники зразків паперу визначали у відповідності до прийнятих методик і порівнювали зі стандартами [8]. Слід зауважити, що для пакувальних видів паперу послідовність додавання реагентів залежить від якостей паперу які потрібно досягнути. Тому спочатку у композицію дозують клей потім каолін, а коли вводиться глинозем відбувається перезарядження часток та миттєве схоплення волокном каолінових та клейових часток, що є важливим для даного виду паперу.

Результати та обговорення. З метою одержання волокнистих напівфабрикатів із стебел соняшнику проведено лужно-сульфітно-спирто- ве варіння, результати якого наведено в табл. 2.

Таблиця 2 Показники якості органосольвентних волокнистих напівфабрикатів із стебел соняшнику

Як видно із наведених у табл. 2 даних, зі збільшенням температури і тривалості ЛБЛЕ де-лігніфікації стебел соняшнику вихід ВНФ і вміст залишкового лігніну зменшуються, що пов'язано з інтенсифікацією процесів розщеплення а- і Р-етерних алкиларильних зв'язків макромолекул лігніну і переведення продуктів деструкції лігніну, а також екстрактивних і мінеральних речовин рослинної сировини до варильного розчину. Фізико-механічні характеристики одержаних органосольвентних волокнистих напівфабрикатів із стебел соняшнику не поступаються сульфітній листяній целюлозі [5], що свідчить про перспективність їх використання у целюлозно-паперовій промисловості. При цьому, із зростанням технологічних параметрів (температури і тривалості процесу делігніфікації) фізико-механічні показники збільшуються, що пояснюється кращими паперотворними властивостями ВНФ за рахунок утворення додаткових водневих зв'язків між полісахаридами і високим залишковим вмістом в них геміцелюлоз (зокрема пентозанів), які сприяють покращенню показників механічної міцності. Тому для вивчення впливу вмісту невибілених недеревних волокнистих напівфабрикатів на показники якості обгорткового паперу та паперу для пакування харчових продуктів на автоматах виготовлено лабораторні зразки паперу масою 80 г/м2 та 110 г/м2, відповідно, різного композиційного складу. Для цього використовували ВНФ із стебел соняшнику, одержані ЛБЛЕ делігніфі- кацією рослинної сировини за температури варіння 160оС, впродовж 120 хв. Фізико-механічні показники отриманих лабораторних зразків пакувального паперу наведено в табл. 3 і 4.

Таблиця 3 Вплив вмісту волокнистих напівфабрикатів із стебел соняшнику на фізико-механічні показники обгорткового паперу

*СА Ц - сульфатна невибілена целюлоза [9];

**ОВНФС - органосольвентні волокнисті напівфабрикати із стебел соняшнику

Таблиця 4 Вплив вмісту волокнистих напівфабрикатів із стебел соняшнику на фізико-механічні показники паперу для пакування харчових продуктів на автоматах

*СА Ц - сульфатна невибілена целюлоза [9];

**ОВНФС - органосольвентні волокнисті напівфабрикати із стебел соняшнику. органосольвентний волокнистий соняшник паперовий

Із наведених у табл. 3 даних видно, що обгортковий папір, отриманий зі 100% органосольвентної невибіленої целюлози з стебел соняшнику без використання сульфатної целюлози, за своїми показниками якості відповідає вимогам ГОСТ 8273--75 для паперу для пакування марки Б.

Дані табл. 4 свідчать про те, що фізико-механічні показники зразків пакувального паперу, отриманого з використанням в його композиції АБЛЕ ВНФ з стебел соняшнику у кількості 50%, відповідають вимогам стандарту для паперу для пакування харчових продуктів на автоматах марки Д.

Слід відзначити (табл. 3), що показники розривної довжини отриманого паперу набагато вищі показників ГОСТ 8273--75 для марки Б, отже даний продукт має високу якість, та може застосовуватися у пакуванні товару різного призначення. Слід відмітити, що використання в композиції пакувального паперу органосольвент- ної целюлози з стебел соняшнику суттєво зменшує собівартість готової продукції.

Для вивчення можливості використання орга- носольвентної целюлози в композиції вибілених видів паперу для пакування харчових продуктів були одержані ВНФ за встановленим раніше режимом процесу делігніфікації (ЛБЛЕ варіння рослинної сировини за температури 170оС, тривалість 150 хв.). Вибілювання проводили за схемою Р -- П1 -- П2 -- К з витратою Н2О2 3 і 2% від маси абс. сух. целюлози, відповідно на першій і другій стадіях пероксидного вибілювання. Застосування такої схеми безхлорного вибілювання дозволило отримати целюлозу з білістю 80%.

Відповідно до методик, описаних вище, було виготовлено лабораторні зразки обгорткового паперу масою 80 г/м2 із недеревної органосоль- вентної та сульфітної вибілених целюлоз різного композиційного складу. Основні характеристики міцності лабораторних зразків обгорткового паперу наведено в табл. 5.

Із наведених у табл. 5 даних видно, що обгортковий папір, отриманий з 100% органосоль- вентної вибіленої целюлози з стебел соняшнику без використання сульфітної целюлози, за своїми показниками якості відповідає вимогам ГОСТ 8273--75 для обгорткового паперу марки О1.

Таблиця 5 Вплив вмісту волокнистих напівфабрикатів із стебел соняшнику на фізико-механічні показники обгорткового паперу

*СИЦ - сульфітна вибілена целюлоза [10];

**ОВНФС - органосольвентна вибілена целюлоза з стебел соняшнику.

Застосування вибіленої органосольвентної целюлози із стебел соняшнику дозволяє виключити із композиції масових видів пакувального паперу більш дорогу целюлозу і тим самим сприяє значному зниженню собівартості готової продукції.

Висновки і пропозиції. Підводячи підсумки доцільності використання органосольвентних волокнистих напівфабрикатів із стебел соняшнику в композиції пакувальних видів паперу необхідно зазначити, що аналіз отриманих результатів показав можливість заміни в композиції паперу дорогої сульфатної та сульфітної целюлозіз деревини, що дасть змогу частково вирішити проблему сировинної бази для целюлозно-паперової галузі України. Перспективи подальших досліджень полягають в розробці технологій одержання целюлози з відходів сільського господарства придатної для хімічного перероблення.

Список літератури

1. Асоціація українських підприємств целюлозно-паперової галузі.

2. Міністерство аграрної політики та продовольства України.

3. Rousu P., Anttila J. Sustainable pulp production from agricultural waste / P. Rousu, J. Anttila // Resources, Conservation and Recycling. - 2002. - № 5. - Р. 85-103.

4. Примаков С. П., Барбаш В. А. Технологія паперу і картону. Навчальний посібник. - 2-ге видання, перероблене. - Київ: ЕКМО. - 2008. - 425 с.

5. Примаков С. П., Барбаш В. А., Черьопкіна Р. І. Виробництво сульфітної і органосольвентної целюлози. - К.: ЕКМО. - 2009. - 280 с.

6. Барбаш В. А., Трембус И. В., Шевченко В. М. Органосольвентные методы получения волокнистых полуфабрикатов из пшеничной соломы / В. А. Барбаш, И. В. Трембус, В. М. Шевченко // Энерготехнологии и ресурсозбережение. - 2009. - № 1. - С. 37-41.

7. ГОСТ 8273-75 Бумага оберточная. Технические условия. - М.: Издательство стандартов. - 1998. - 8 с.

8. ГОСТ 7247-90 Бумага для упаковывания пищевых продуктов на автоматах. Технические условия. - М.: Издательство стандартов. - 1990. - 14 с.

9. ГОСТ 11208-82 Целлюлоза древесная (хвойная) сульфатная небеленая. Технические условия. - М.: Издательство стандартов. - 1988. - 4 с.

10. ГОСТ 3914-89 Целлюлоза сульфитная беленая из хвойной древесины. Технические условия. - М.: Издательство стандартов. - 1989. - 8 с.

Анотація

Досліджено хімічний склад стебел соняшнику. Показано можливість одержання органососльвентних волокнистих напівфабрикатів із стебел соняшнику з високими показниками якості. Експериментально підтверджено можливість використання у складі паперових виробів органосольвентної целюлози із відходів сільського господарства. Встановлено, що лабораторні зразки пакувального паперу задовільняють вимогам стандарту. Доведено, що застосування недеревної целюлози дає можливість виключити зі складу масових видів пакувального паперу більш дорогу імпортну целюлозу.

Ключові слова: соняшник, органосольвентний волокнистий напівфабрикат, обгортковий папір, папір для пакування харчових продуктів.

Размещено на Allbest.ru